远程医疗的新前沿

远程机器人辅助心脏手术及其他治疗


2018年,印度艾哈迈达巴德Apex心脏研究所的5名患者接受冠状动脉疾病(CAD)治疗,治疗方法与每年其他300万人接受治疗的方法相同:将一个小气球插入心脏的动脉并充气,然后放置支架保持重要血管畅通。

这一过程称为经皮冠状动脉介入治疗(PCI),是动脉粥样硬化的标准治疗方法,动脉粥样硬化是一种常见冠心病,其特征是斑块在动脉内不断积聚,随后导致血流受限。与之前的许多患者一样,他们的手术由西门子医疗器械有限公司下属Corindus的CorPath GRX机器人平台协助完成。

然而,不同于他们之前的任何人,这五位病人经历了令人称奇的初次体验:他们的主治医生在手术过程中不在他们的房间里。事实上,他远在20英里外,通过远程工作站指导机器人完美地执行操作。

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机器人手术解决了导致死亡的主要原因

据世界卫生组织(WHO)称,心血管疾病(CVD)是全球头号死因,每年会夺去1790万人的生命。这种影响在发展中国家和农村地区等缺乏现成急救护理设施的地区最为严重。

世卫组织指出,超过四分之三的心血管疾病死亡发生在中低收入国家。在发达国家,这一问题出现在农村地区,那里的小医院往往没有介入性心脏病等方面的专家。正是在这些地区,Corindus开创的远程解决方案和类似远程方案为患者提供了无限的希望和极具吸引力的可能性。

Tejas Patel博士执行了这些远程干预,并与其同事Sanjay Shah和Samir Pancholy在EClinicalMedicine上发表了有关这些干预措施的文章。文章称,“发展中国家绝大多数冠心病或急性冠状动脉综合征患者很少或根本没有机会接受及时的介入治疗。目前,机器人技术依托网络连接的改善和操作人员在R-PCI(机器人辅助PCI)过程方面的专业知识,可以在缺乏此类专业技术的地区作为一线服务使用。”文章还指出,该系统可以作为一种补充服务,为更多的患者提供专业化的治疗。

在介入驾驶舱操作CorPath GRX的医生。图片来源:Corindus

据世卫组织称,心血管疾病是全球头号死因,每年夺去1790万人的生命。

“要么远程,要么回家”

自从CorPath机器人平台推出以来,Corindus团队一直在考虑随时随地为世界各地需要治疗的病人提供救治,同时努力为医生提供更多安全保障。

虽然CorPath先进的机器人技术为医生在PCI过程中提供了极高的精确度和控制能力,但该系统仍然需要做更多工作来保护医生健康——在PCI过程中使用的成像技术使他们遭受辐射,而穿戴必要的重型防护设备也会造成骨科损伤。

“Corindus预感到机遇正摆在面前,趁此契机可提高外科医生手术的安全性,同时满足全球创新远程医疗解决方案日益增长的需求,因此公司首席执行官Mark Toland告诉我们的团队必须立即进行决断,‘要么远程,要么回家’。”Corindus公司研发人员Nicholas Kottenstette回忆道。“这一战斗口号在整个公司引起共鸣,迫使我们努力突破极限,进一步拓展CorPath系统的功能和可能性,并实现另一个行业里程碑:打造第一个远程机器人辅助PCI。”

飞机控制技术促进了机器人手术的诞生

Kottenstette加入Corindus后一直在机器人生产线上工作,但他的职业生涯始于另一个领域。他在圣母大学获得了电气工程博士学位,并在那里设计出通过网络控制系统的框架,该框架在确保系统稳定性的同时,还考虑到了时间延迟和数据丢失。随后,他在范德堡大学开始了个人职业生涯——使用基于模型的设计开发飞机的机器人控制系统。正是这项工作催生出通过网络操作的不同类型的控制系统:手术机器人。

Kottenstette说:“有这些工作,包括使用MATLAB®和Simulink®进行基于模型的设计,是开发我们的精密机器人系统不可或缺的一部分。”

要了解机器人系统的复杂工作原理,对其关键部件进行基本的清点将有助于您的理解。该系统包括两个主要工作站:床头单元——该部分可在患者体内操作设备,以及介入驾驶舱——医生将在介入治疗期间在其中操控设备。

床头单元有一个伸展臂和床头触摸屏。它由洗手护士操作。图片来源:Corindus

介入驾驶舱包括辐射防护罩、监视器和控制台,介入性心脏病专家能够在不穿戴铅衣的情况下坐立工作。图片来源:Corindus

CorPath GRX机器人平台包括两个主要工作站:床头单元——该部分可在患者体内操作设备,以及介入驾驶舱——医生将在介入治疗期间在其中操控设备。

床头单元由伸展臂、机器人驱动器和一次性无菌盒组成。手臂将机器人驱动器和无菌盒定位到合适的位置。机器人驱动器接收来自驾驶舱控制台的输入,引导无菌盒,无菌盒进一步操控病人体内的导丝、球囊/支架导管和引导导管。

介入性心脏病专家在介入性驾驶舱工作,该驾驶舱包含机器人控制子系统和远程临场通信系统,可将医生与床头单元中的机器人连接起来。

“机器人控制的工作站包含控制计算系统、监视器、联网设备(即连接)和带三个操纵杆的机器人控制台。”Patel博士说。“监视器显示实时血流动力学变量和透视视频,为操作人员提供PCI过程的增强可视化。一个操纵杆用于气囊/支架操作,一个用于导丝操作,第三个用于引导导管操作。”

仔细观察这两个主要系统——床头单元和介入驾驶舱——可以发现协作和相互依赖对机器人系统的成功执行至关重要。综合起来,这些系统带来了可量化的优点,包括提高测量解剖结构的准确性,更好地确定病变大小和支架长度,以及提高支架定位的精度。

“所有这些工作,包括使用MATLAB和Simulink进行基于模型的设计,是应对精密机器人系统开发挑战不可或缺的一部分。”

Corindus的研发人员,Nicholas Kottenstette博士

远程手术

远程执行复杂的程序为我们带来了重大的设计挑战,其中最主要的挑战是实时、端到端的视频捕获和处理:当医生在网络上看到的图像和发送的命令存在明显的延迟时,医生的操作效率可能会降低。此外,医生必须了解网络连接的质量,包括网络延迟和每秒接收的图像帧数(吞吐量)。在不良网络条件下,该系统应限制医生的操作,以降低对患者造成伤害的风险。

为了克服实时系统操作的挑战,Kottenstette利用基于模型的设计刷新了他的创新记录。

“MATLAB、Simulink和Simulink Real-Time™一直是我在CorPath系统上应用开发工作的主要部分,从用于引导机械臂运动的嵌入式电机控制,到透视图像与工作站的通信方式,无所不包。”Kottenstette说。“我的团队使用基于模型的设计对远程系统进行建模。”

这种做法已经带来了回报。例如,当Corindus开始开发下一代平台CorPath GRX时使用了通用摄像头,而那时还没有针对USB 3.0设备的实时支持。

“当我们努力开发不会中断医生正常工作流的先进实时视频功能时,MathWorks与我们携手合作,开发所需的支持。”Kottenstette说。“一旦开发出这种功能,我们就可以根据需要对图像进行压缩和解压缩,以方便远程操作员实时传输和使用图像。”

为了确保专用的实时网络能力,Corindus使用Speedgoat系列目标机——针对特定应用优化的高性能计算机——来执行其系统的关键任务。在操作现场放置一个Speedgoat目标机,在远程位置放置一个支持介入驾驶舱的Speedgoat目标机,CorPath GRX的表现令人钦佩。

Patel博士在他的报告中指出,“远程R-PCI过程在各个方面都很成功。远程干预操作员认为机器人平台和网络连接系统的功能与实验室中的手动PCI过程相当,没有明显的过程延迟或技术困难。网络记录的53毫秒平均延迟证实了这一点,而操作员很可能无法察觉这一点。”

Kottenstette设计了Simulink实时模型来控制床头设备。

“MATLAB、Simulink和Simulink Real Time长期以来一直是我在CorPath系统上应用开发工作的主要部分,从用于引导机器人手臂运动的嵌入式电机控制,到透视图像与工作站的通信方式,无所不包。我的团队使用基于模型的设计对远程系统进行建模。”

Corindus的研发人员,Nicholas Kottenstette博士

在远程R-PCI过程取得突破性成功的鼓舞下,Corindus继续以“大”为目标——大到足以引领脑病治疗领域的远程医疗革命。

“对于中风患者来说,每一秒都很重要,就像对心脏病患者一样。”Kottenstette说。“我们的远程机器人协议可以在任何地方治疗患者,这是未来的发展潮流,也推动了CorPath在治疗中风方面的下一轮创新。在美国,中风是导致残疾的第一大原因,也是导致死亡的第五大原因。”

观看本视频 (3:11) 了解 Corindus 如何在 Speedgoat 目标上运行实时应用程序,在此过程中使用高精度时间同步协议同步本地和远程站点时钟。